Hanno caratteristiche migliori anche della seta di ragno

Il materiale naturale più forte? I denti delle patelle

Tra le applicazioni possibili Formula 1, carene di barche, auto e aerei

[18 febbraio 2015]

Secondo lo studio “Extreme strength observed in limpet teeth”, pubblicato su Royal Society journal Interface da un team di ricercatori dell’università di Portsmouth, i denti delle patelle potrebbero  essere il materiale naturale più forte conosciuto dall’uomo. Questi piccole creature marine ricoperte da una conchiglia e che vivono incollate agli scogli hanno denti con le strutture biologiche così forti che potrebbero essere copiate per fabbricare le auto, le barche e gli aerei del futuro.

All’università di Portsmouth spiegano che «Lo studio ha esaminato il comportamento meccanico su piccola scala dei denti delle patelle utilizzando l’atomic force microscopy un metodo utilizzato per separare materiali fino al livello di atomo». Asa Barber dalla facoltà di Ingegneria dell’università britannica, che ha guidato il team di ricerca, aggiunge: «La natura è una meravigliosa fonte di ispirazione per le strutture che hanno eccellenti proprietà meccaniche Tutte le cose che osserviamo intorno a noi, come gli alberi, i gusci delle creature marine e i denti delle patelle studiati in questo lavoro, si sono evoluti per essere efficaci in quello che fanno. Fino ad ora pensavamo che fosse la seta di ragno il materiale biologico più forte per la sua  super-forza e per le sue potenziali applicazioni per tutto, dai giubbotti antiproiettile all’elettronica dei computer, ma ora abbiamo scoperto che i denti delle patelle mostrano una forza che è potenzialmente più elevata».

Il team di Barber ha scoperto che i denti delle patelle contengono un minerale duro noto come goethite, che si forma nelle patelle mentre crescono e spiega ancora: «Le patelle hanno bisogno di denti ad alta resistenza per raspare sulle superfici rocciose e rimuovere le alghe per alimentarsi quando sale la marea. Abbiamo scoperto che le fibre di goethite sono proprio della dimensione giusta per comporre una struttura composita elastica. Questa scoperta significa che le strutture fibrose presenti nei denti patelle potrebbero essere imitati e utilizzati in applicazioni di ingegneria ad alte prestazioni come le auto da corsa di Formula 1, le carene di imbarcazioni e strutture di aeromobili. Gli ingegneri sono sempre interessati a rendere queste strutture più forti per migliorare le loro prestazioni o più leggero in modo da utilizzare meno materiale».

I ricercatori britannici hanno anche scoperto che i denti delle patelle hanno sempre la stessa forza, non importa quale sia la loro dimensione e fanno notare che «In generale, una grande struttura ha un sacco di difetti e può rompersi più facilmente di una struttura più piccola, che ha meno difetti ed è più forte. Il problema è che la maggior parte delle strutture devono essere abbastanza grandi in modo che sono più deboli di quanto vorremmo. I denti della patella infrangono questa regola dato che l loro punto di forza è lo  stesso, non importa quale sia la dimensione».

Il materiale analizzato dal team dell’università di Portsmouth è quasi 100 volte più sottile del diametro di un capello umano, quindi sono state sviluppate nuove tecniche per poter “rompere” un campione così minuscolo e Barber evidenzia che «I metodi di testing sono stati importanti, dato che dovevamo rompere il dente della patella. L’intero dente è lungo leggermente meno di un millimetro, ma è curvo, così la forza dipende sia dalla forma del dente che dal materiale. Volevamo capire la forza materiale unico e quindi abbiamo dovuto tagliare un minor volume di materiale dalla struttura curva del dente».

Si tratta di un nuovo passo avanti in quello che è ormai lo sterminato e sorprendente campo della “’Bioinspiration”  che si basa sui  materiali naturali efficienti che possono ispirare progetti fdi materiali innovativi. Barber conclude: «La biologia è una grande fonte di ispirazione nella progettazione di nuove strutture, ma con tante strutture biologiche da prendere in considerazione, ci vuole tempo per scoprire quali possono essere utili».